DAOrayaki |量子科技/ 科学家发现可能改变我们计算机的新磁力特性

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资助地址:  DAOrayaki.eth

投票进展:DAO Reviewer  1/0 通 过

赏金总量:150 USD

研究种类:Quantum Computing, Quantum Computing Market, Research Survey

原文作者:   Paradigm

创作者:Tan Zhi Xuan@DAOrayaki.org

审核者:wonder@DAOrayaki.org

原文:  QT/ Scientists discover new properties of magnetism that could change our computers

  • 一项新的研究披露了磁学的基本属性。这一发现将有可能成为开发新一代强大计算机的关键。
  • 科学家们不懈努力地了解高温超导性的基本机制,而最终的目标是设计和制造接近室温的新量子超导材料。
  • 研究人员证实硅纳米粒子被超流体氦中的涡流吸引。他们的这项模拟让他们能够更直观地看到涡流线重组的过程。这项工作可能会引发量子计算和光谱学的改进。
  • 著名的双缝实验证明了粒子可以同时在两条路径上运行,但这只能通过观察大量的粒子并对结果进行统计分析。如今,一个双路径干涉实验被设计出来了,而我们只需要测量一个特定的粒子就可以证明它在两条路径上运行。
  • 物理学家的计算侦查工作已经证实了锆热释石铈是一种三维量子自旋液体。它是一种固体材料,而其中的量子纠缠和原子的几何排列,无论它们变得多么冷的情况下,都会导致电子在量子磁态之间波动。
  • 在单个量子的水平上控制机械运动的系统正慢慢成为了一个有潜力的量子技术平台。新的实验已经确定了如何在不破坏量子形态的情况下测量这种系统的量子特性,而这也是充分挖掘机械量子系统潜力的一个关键因素。
  • 一个只有 51 个带电原子的量子系统可以拥有超过两万亿个不同的形态。计算该系统的行为对量子模拟器来说简直就是小菜一碟。然而,想要验证其结果几乎是不可能的,即使是用当今的超级计算机。一个研究小组也表明了这些系统是如何使用 18 世纪制定的方程式来进行验证的。
  • 基础物理学前沿工作的一个主要障碍是无法在实验室环境中测试最先进的理论。但是最近的一项发现为科学家们打开了全新的大门,使他们能够看到以前只能在理论上理解或在科幻小说中表现的想法。
  • 一项理论研究表明,如果满足正确的条件,长程的量子纠缠确实可以在高于绝对零度的温度下生存。
  • 一个新的材料数据库揭示了超过 90,000 种已知,且具有持久电子特性的“拓扑”材料。
  • 还有更多!

量子计算的市场

根据 MarketsandMarkets 最近发布的《量子计算市场与 COVID-19 的影响,按服务供应端(系统和服务)、部署(基于企业内和云端的)、应用、技术、终端行业和地区——至 2026 年的全球预测》市场研究报告,量子计算的市场预计将从 2021 年的 4.72 亿美元增长到 2026 年的 17.65 亿美元,即复合增长率为 30.2%。量子计算在银行和金融领域的早期采用预计将推动全球市场的增长。促使量子计算市场增长的其他关键因素还包括了不同国家政府不断地增加投资,开展与量子计算技术有关的研究和开发活动。一些公司在 COVID-19 后正专注于采用 QCaaS。反过来说,这预计了将会促进量子计算市场的增长。然而,稳定性和纠错问题预计还是会限制市场的增长。

根据《量子计算市场与COVID-19的影响,按服务供应端(系统和服务)、部署(基于企业内和云端的)、应用、技术、终端行业和地区——至2026年的全球预测》的报告,量子计算市场预计将在 2030 年达到 649.88 亿美元。在预测的这段期间内,机器学习(ML)预计将在所有应用类别中以最高的年复合增长率发展,这是因为量子计算正被整合到 ML 中,以改善后者的使用情况。

最新研究

近似Ising铁磁链中的磁布洛赫振荡和域壁动力学

作者:Ursula B. Hansen, Olav F. Syljuåsen, Jens Jensen, Turi K. Schäffer, Christopher R. Andersen, Martin Boehm, Jose A. Rodriguez-Rivera, Niels B. Christensen, Kim Lefmann 发布于 Nature Communications

我们的电子产品不能再缩小了,而且处于过热的边缘。然而,在哥本哈根大学的一项新研究发现中,研究人员发现了磁学的一个基本属性,这可能与开发新一代更强大、更不容易发热的计算机有关。

正在进行的“以电子为信息传输载体的计算机部件”小型化项目已面临着挑战。而这时候,磁力将有可能取而代之,从而保持更便宜和更强大的计算机的发展。这是哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所(NBI)的科学家们的观点之一。

单链的集群能级和磁性激发

NBI 凝聚态物质物理学的 Kim Lefmann 教授说到:“计算机的功能涉及了通过微芯片发送电流。虽然量很小,但电流不仅会传输信息,而且会促使芯片发热。当你有大量的组件紧凑地组装在一起时,热量就会成为一个问题。这也就是我们已达到了组件缩小极限的原因之一。因此,基于磁性的计算机将避免过热的问题。”

“我们的发现并不是制造基于磁性的计算机的直接配方。相反,我们已经披露了一个基本的磁属性,而如果你想设计这样的计算机,你就需要会操控。”

想要掌握这一项发现,人们需要知道的是磁性材料的方向不一定是均匀的。换句话说,具有磁性南北极的区域可能并排存在。这些区域被称为域,而南北极域之间的边界就是域壁。虽然域壁不是一个物体,但它却有几个类似于粒子的特性。因此,它是物理学家所说的准粒子的一个例子,意味着类似于粒子的虚拟现象。

金·莱夫曼解释说:“众所周知,人们可以通过施加磁场来移动域壁的位置。最初,域壁的反应与一个物体相似,它受到重力作用而加速,直到撞击下方的表面。然而,在量子的世界将拥有其他的规律。”

“在量子层面,粒子不仅是物体,它们也是波。这也适用于像域壁这样的准粒子。波的特性意味着,当域壁与周围的原子相互作用时,其加速度会减慢。接下来,加速将完全停止,而墙的位置将开始振荡。”

非弹性中子散射数据与 RPA 计算的比较

类似的现象也会出现在电子上。而在这里,它也被称为布洛赫振荡,是以 1929 年发现它的美国斯维兹物理学家和诺贝尔奖获得者费利克斯·布洛赫命名的。1996 年,瑞士理论物理学家提出,在磁学中可能存在与布洛赫振荡平行的现象。在过去了四分之一世纪后,金·莱夫曼和他的同事们也成功地证实了这一假说。该研究小组研究了磁性材料 CoCl2∙2D2O 中域壁的运动。

金·莱夫曼告诉记者:"其实我们很早就知道这一假设有很大可能被验证,但我们也明白,这需要获得中子源。特别的是,尽管中子不带电,但它是对磁场有反应的。这也使它们成为了磁学研究的理想对象。”

布洛赫能量的场依赖性

中子源是大型的科学仪器。在全世界,只有大约20个设施存在,且对光束时间的竞争非常激烈。

金·莱夫曼说:“我们分别在美国的 NIST 和法国的 ILL 有过光束时间。幸运的是,随着 ESS(欧洲溅射源)在瑞典隆德投入使用,磁学研究的条件也将会大大改善。由于丹麦是该设施的共同所有者,这不仅让我们获得光束时间的机会变得更好,成果的质量也将提高大约 100 倍,因为 ESS 将是一个极其强大的中子源。”

为了澄清,他也强调了,即使这涉及到了量子力学,基于磁性的计算机也不会是量子计算机的一种:

"未来,量子计算机有望能够处理极其复杂的任务。但即便如此,我们仍然需要传统计算机来进行更普通的计算。这就是基于磁力的计算机可能成为相关替代品的地方,因为它比目前的计算机更好。”

光淬且高温超导体中电荷密度波相干性的增强

作者:S. Wandel, F. Boschini, E. H. da Silva Neto, et al 发布于 Science

科学家们不懈努力了解高温超导性的基本机制,而其最终目标是设计和制造接近室温的新量子超导材料。

高温超导性是研究量子材料的研究人员的一个圣杯。超导体能够导电而不耗散能量,因此有望彻底改变我们的能源和电信动力系统。然而,超导体通常在极低的温度下运作,需要精心设计的冷冻器或昂贵的冷却剂。基于这个原因,科学家们不懈努力了解高温超导的基本机制,而其最终目标是设计和制造接近室温的新型量子超导材料。

在 CLS 测量的 Cu-L3 边缘周围 YBCO 的 X 射线吸收扫描为总电子产量(TEY)和总荧光产量(TFY)

国家科学研究学院(INRS)教授 Fabio Boschini 和北美科学家在美国 SLAC 的利纳克相干光源(LCLS)自由电子激光器上通过时间分辨共振 X射线散射,研究出了超导体钇钡铜氧化物(YBCO)的动态(该物质在高于正常温度下具有超导电性)。在这项新的研究中,研究人员已经能够跟踪 YBCO 中的电荷密度波对突然 "熄灭 "的超导性(由一个强烈的激光脉冲引起)的反应。

这个项目的共同研究者和斯图尔特·布鲁森量子物质研究所(Blusson QMI)的附属调查员 Fabio Boschini 说:“我们正在学习电荷密度波——表现得像水中涟漪的自组织电子——和超导性在纳米尺度上以超快的时间尺度进行互动。超导性的出现和电荷密度波之间存在着非常深邃的联系。”

“甚至直到几年前,研究人员还低估了这些材料内部动态的重要性,” 加州 SLAC 国家加速器实验室的首席调查员和工作人员科学家 Giacomo Coslovich 说到。“在这项合作开始之前,我们确实没有工具来评估这些材料中的电荷密度波动力学。由于像我们这样的团队愿意共享这些资源,并通过使用自由电子激光器对物质的动态特性提供了新的见解,大家才有机会观察到电荷秩序的演变。”

由于对高温超导体背后的动态相互作用有了更好的了解,研究人员乐观地认为,他们可以与理论物理学家合作,共同开发一个框架,以便对高温超导性如何出现有更细致的了解。

报告案例中的模拟 X射线散射信号

目前的工作来自于几个主要研究中心和光束线研究人员的合作。Boschini 说:“我们在 2015 年底开始运行我们的第一个实验,在加拿大光源(Canadian Light Source)对该材料进行了第一次表征。随着时间的推移,该项目涉及到许多 Blusson QMI 的研究人员,例如我指导并邀请参与到这项工作的 MengXing Na。她是数据分析工作中不可或缺的一员。

Na 说:“这项工作是具有意义的,其中的原因有很多,但它也真正展示了形成持久的、有意义的合作和关系的重要性。有些项目真的需要很长的时间,我们能走到这一步,要归功于贾科莫的领导和毅力。“

这项目至少结合了三代的科学家,而当中一些人经历在博士后的生涯,再进入教职岗位。研究人员对扩展这项目感到极其兴奋,也就是要把光作为一个光学旋钮来控制超导的通断状态。

观察长程量子磁体中的新兴流体力学

作者:M. K. Joshi, F. Kranzl, A. Schuckert, I. Lovas, C. Maier, R. Blatt, M. Knap, C. F. Roos 发布于 Science

乍一看,一个由 51 个离子组成的系统可能看起来非常容易管理。然而,即使这些带电原子只是在两种状态之间来回变化,其结果是超过了系统可以采取的两万亿(1015)种不同的排序。

这系统的行为几乎不可能用传统的计算机来计算,特别是因为引入系统的激励可以无规律地传播。激励遵循着一种被称为 Lévy 飞行的统计模式。这种运动的一个特点就是不仅可以实现比预期小的跳跃外,还可以实现较明显的大跳跃。这种现象也可以在蜜蜂的飞行和股票市场不寻常的激烈运动中观察得到。

长程量子磁体中出现的流体力学

模拟一个复杂的量子系统的动力学对传统的超级计算机来说也是一个非常高的要求,但对于量子模拟器来说,这个任务简直就是小儿科了。然而,如果没有能力进行同样的计算,怎么能验证量子模拟器产生的结果呢?对于量子系统的观察表明,至少有可能用类似伯努利兄弟在18世纪开创,用于描述流体行为的方程,来演示这种系统的长期行为。

为了测试这假设,作者使用了一个模拟量子磁体动力学的量子系统。他们能够用它来证明,在一个由量子力学效应主导的初始阶段之后,该系统实际上可以用流体力学中所熟悉的那种方程来描述。此外,他们还表明,描述蜜蜂所使用的搜索策略的莱维飞行统计学也适用于量子系统的流体动力学过程。

A)=0:9,B)=1:1,和C)=1:5的自旋相互作用矩阵项显示

该量子模拟器是在因斯布鲁克大学校区的奥地利科学院量子光学和量子信息研究所(IQOQI)建造的。IQOQI 因斯布鲁克科学家 Manoj Joshi 说:“我们的系统通过使用离子的两个能级代表分子磁铁的南北极,并且有效地模拟了一个量子磁铁。”

“我们在技术上最大的进步就是,我们成功单独解决了 51 个离子中的每一个离子,” Manoj Joshi 观察并说到。“因此,我们能够研究任何所需数量的初始状态的动力学,这对于说明流体动力学的出现是必要的。”

慕尼黑工业大学集体量子动力学教授 Michael Knap 说:“虽然目前量子比特的数量和量子状态的稳定性非常有限,但有些问题我们已经可以利用当今量子模拟器的巨大计算能力。”

“在不久的将来,量子模拟器和量子计算机将成为研究复杂量子系统动力学的理想平台,”Michael Knap 解释到。“现在的我们知道,在某个时间点后,这些系统将会遵循经典的流体动力学规律。任何强烈的偏离都表明模拟器并没有正常地运作。”

量化干涉仪路径中的中子存在

作者:Hartmut Lemmel, Niels Geerits, Armin Danner, Holger F. Hofmann, Stephan Sponar 发布于Physical Review Research

量子物理学中最著名的实验就是双缝实验,也或许是最重要的实验:单个粒子被射向一堵有两个开口的墙,墙后有一个探测器测量粒子到达的位置。这演示了,粒子并不像我们所了解到的经典物体那样沿着一条非常具体的路径移动,而是同时沿着几条路径移动的:也就是每个单独的粒子同时通过左边和右边的开口。

然而在通常的情况下,这只能通过反复进行实验并在最后经过评估了许多粒子探测的结果来证明。如今在维也纳大学已经有可能开发出这种双向干扰实验的新变种,并且可以纠正这一缺陷:在一个特定的位置测量一个中子,并且基于复杂的测量设置,这个单一的测量已经证明了粒子在同一时间沿着两个不同的路径移动。甚至有可能确定中子在两条路径上的分布比例。因此,量子叠加现象可以被证明,而不必求助于统计论证。

来自维也纳大学原子研究所的斯蒂芬·斯波纳解释说:“在经典的双缝实验中,双缝后面会产生一个干涉图案。粒子会以波的形式同时穿过两个开口,然后两个部分的波相互干扰。在某些地方,它们将会相互加强,而在某些地方,它们又会相互抵消。”

处于一个非常具体的位置测量双缝后面的粒子的概率取决于这种干扰模式:在量子波被放大的地方,测量粒子的概率就高。在量子波被抵消的地方,概率就低。当然,这种波的分布不能通过观察单个粒子而发行到。只有当实验被多次地重复进行时,波的模式才会越来越多地被逐点和逐粒子地识别。

来自广岛大学的 Holger Hofmann(他开发了该实验背后理论)说:“因此,只有通过对多数粒子的统计调查,才能解释个别粒子的行为,结果才变得可见。当然,这并不完全令人满意。因此,我们考虑了如何在检测单个粒子的基础上证明双向干扰的现象。”

(a)参考文献[23]中的反馈补偿方案应用于马赫-泽恩德干涉仪(b)。在物体(干涉仪路径)和探测系统(自旋)之间的耦合ˆUαz1之后,应用依赖于输出通道的补偿ˆUβ±z,保持探测量子比特的原始状态⟨ˆσx⟩=1。

这是在格勒诺布尔 ILL 中子源的中子帮助下实现的:中子被送到了一个晶体上,该晶体将中子的量子波分割成两个部分波,这与经典的双缝实验非常相似。这两个部分中子波沿着两条不同的路径移动,并再次重新结合起来。它们相互干扰,然后被测量。

然而,除此之外,中子的另一个属性也被利用:它的自旋——粒子的角动量。它可以受到磁场的影响,然后使中子的角动量指向不同的方向。如果中子的自旋只在两条路径中的一条上旋转,就有可能在事后确定它走的是哪条路径。然而,作为量子力学中互补性的一个结果,干扰模式也随之消失了。

当前出版的第一作者 Hartmut Lemmel 解释说:“因此,我们只是稍微旋转了一下中子的自旋。然后,干扰模式仍然存在的,因为你只能获得很少的路径信息。为了依旧获得精确的路径信息,这种 "弱" 的测量在常规实验中将被重复多次。然而,这时人们只能获得关于整个中子集合的统计声明,而对每个单独的中子几乎没有什么信息可说的。”

在不管哪种情况下反馈补偿的实验结果。期望值⟨σx⟩1,2分别在路径1和2中测量,并根据公式(32b)计算平均值

如果在两个中子部分波合并后,用另一个磁场将自旋再次转回来,那样情况就不同了。通过不断尝试,人们确定了将叠加状态的自旋转回到原来的方向所需的旋转角度。旋转的强度是对中子在每条路径上存在的强度的一种衡量。如果它只走了自旋被旋转的那条路径,则需要全角度的旋转才能将其旋转回来。如果它只走了另一条路径,就根本不需要反向旋转。在使用一个特殊的不对称分束器进行的实验中,显示出中子在一条路径上存在着三分之一,在另一条路径上存在着三分之二。

通过详细的计算,该小组能够表明:在这,人们不仅是在所有被测量的中子的总体上检测一个平均值,而且这个说法也适用于每个单独的中子。我们需要很多中子来确定最佳的旋转角度,但是一旦这个角度被设定,由它确定的路径存在就适用于检测到的每一个中子了。

斯蒂芬·斯波纳说:“我们的测量结果支持经典的量子理论。而新颖之处在于,人们不必求助于不令人满意的统计学论据。当测量一个单一粒子时,我们的实验表明,它肯定也同时走了两条路,并且毫不含糊地量化了各自的比例。”

这就排除了其他试图使用局部粒子解释双缝实验的量子力学解释。

电路量子声学的强列色散制度中的奇偶性测量

作者:Uwe von Lüpke, Yu Yang, Marius Bild, Laurent Michaud, Matteo Fadel, Yiwen Chu 发布于 Nature Physics

在单个量子水平上控制机械运动的系统正成为一个具有潜力的量子技术平台。新的实验已确定了如何在不破坏量子状态的情况下测量此类系统的量子特性,并且这也是充分挖掘机械量子系统潜力的一个关键因素。

当我们说到量子力学系统时,人们可能会想到单个光子和隔离良好的离子和原子,又或者是电子在晶体中的传播。在量子力学里,比较奇特的是真正的机械量子系统;也就是所谓的大质量物体的机械运动,如振动是量化的。在一系列开创性的实验中,机械系统的基本量子力学特征已经被发掘了,包括能量量化和纠缠。然而,为了将这些系统用于基础研究和技术应用,观察量子特性仅仅只是第一步。下一步是掌握机械量子物体的处理方法,使其量子状态可以被控制、测量,并最终在类似设备的结构中能有用武之地。苏黎世联邦理工学院固体物理实验室的朱毅文小组现在已经在这个方向取得了重大进展。他们在报告里说明了从机械量子系统中提取信息而不破坏珍贵的量子状态。这一进展为量子纠错等应用铺垫了道路,甚至能涉及得更多。

倒装芯片粘合的混合装置的照片,而声学共振芯片在超导量子比特芯片的上面。底部芯片的长度为 7 毫米。改编自 Von Lüpke 等人,Nat. DOI: 10.1038/s41567-022-01591-2(2022)

ETH 的物理学家们采用了一块高质量的蓝宝石板作为他们的机械系统,厚度略低于半毫米。它的顶部有一个薄薄的压电换能器,可以激发声波,而这些声波会在底部被反射,从而在板块内延伸出一个明确的体积。这些激发是大量原子的集体运动,但它们是量化的(被称为声子的能量单位),并且至少在原则上可以受到量子操作的影响,其方式与原子、光子和电子的量子状态非常相似。耐人寻味的是,我们是可能可以将机械谐振器与其他量子系统,特别是与超导量子比特进行连接的。后者是微小的电子电路,其中的电磁能量状态是量化的,而它们也是目前构建可扩展量子计算机的主要平台之一。超导电路相关的电磁场能够使量子比特与声学共振器的压电换能器耦合,从而与它的机械量子形态耦合。

在这混合型量子比特谐振器装置中,可以结合两个领域的优点。具体来说,超导量子比特高度发达的计算能力可以与声学模式的稳健性和长寿命同步使用,而后者是可以作为量子存储器或传感器的。然而,对于这样的应用,仅仅耦合量子比特和谐振器的形态是不够的。例如,直接测量谐振器中的量子状态是会破坏它的,使重复测量成为了不可能的事情。相反,我们需要的是以一种更温和的、可控的方式来提取有关机械量子形态的信息。

非经典声子形态的 Wigner 断层成像

朱棣文的博士生 Uwe von Lüpke、Yu Yang 和 Marius Bild 与 Branco Weiss 研究员 Matteo Fadel 合作,在学期项目的学生 Laurent Michaud 的支持下,如今已实现了这种所谓的量子非去势测量协议。在他们的实验里,测量的过程中,超导量子比特和声学共振器之间没有直接的能量交换。相反的,量子比特的属性取决于声学共振器中的声子数量,而不需要直接“接触”机械量子状态(可以想象一下特雷米琴),这种乐器的音高取决于音乐家的手的位置,而不需要与乐器进行物理接触。

创建一个谐振器状态反映在量子比特频谱中的混合系统是非常具有挑战性的。对于量子形态在量子比特和谐振器中能维持多长时间 才会因外界的不完善和扰动而消失 有着严格的要求。因此,该团队的任务是推动量子比特和谐振器量子形态的寿命。通过一系列的改进,他们也成功了,这包括了仔细选择所使用的超导量子比特的类型,并将混合装置封装在一个超导铝腔中以确保严密的电磁屏蔽。

在成功地将他们的系统推入所需的操作体系(被称为“强色散体系”)之后,该团队能够在用不同的振幅刺激声学共振器之后,温和地提取其声子数量分布。此外,他们展示了一种方法,可以在一次测量中确定共振器中的声子数量是偶数还是奇数,而这也是一种所谓的奇偶性测量,不需要了解关于声子分布的任何其他信息。获得这种极为具体的信息,且没有掺杂其他信息,在一些量子技术应用中是至关重要的。例如,奇偶性的变化(从奇数到偶数的转变或反之亦然)可以表明一个错误已经影响到了量子的形态,并且需要进行纠正。当然,这里至关重要的是被纠正的形态不被遭受破坏。

然而,在实施这种纠错方案之前,是有必要进一步完善混合系统的,特别是要提高操作的保真度。然而,到目前为止,量子纠错还不是地平线上的唯一用途。在科学文献中,有大量令人兴奋的理论建议,并用于量子信息协议以及基础研究,而这些建议得益于声学量子态驻留在大质量物体中的事实。例如,这为探索大型系统极限下的量子力学范围以及利用机械量子系统作为传感器提供了独有的机会。

通过激光烧蚀视觉化量化涡流重联

作者:Yosuke Minowa, Shota Aoyagi, Sosuke Inui, Tomo Nakagawa, Gamu Asaka, Makoto Tsubota, Masaaki Ashida 发布于 Science Advances

研究人员通过使用激光烧蚀对硅纳米粒子进行爆破,并观察到了在超流体氦中形成的涡旋。在观察了硅纳米粒子上的光散射模式后,大阪都市大学的科学家们对量子漩涡动力学进行了大规模的模拟,证实了所观察到的纳米粒子的漩涡和环路是由量子漩涡造成的。这项工作为超流体氦的其他量子特性的光学研究开辟了全新的可能性,例如由于光和硅纳米粒子之间的强相互作用而对量子化涡旋进行光学操纵。

量子力学的原则可能看起来非常陌生,那就是粒子可以像波一样运动,波则可以像粒子一样运动。异常的量子行为也通常会非常少发现。然而,当某些材料,如氦-4,被冷却到非常低的温度时,粒子的 "波浪性 "甚至在宏观尺度上也有明显的受到影响。

观察超流体 4He 中用硅纳米粒子装饰的悬浮量化涡流

“超冷”氦是玻色-爱因斯坦凝结的一个例子,代表原子的波重叠在一起,直到整个流体像一个单一的大质量粒子。这个过程没有经典的类似物,也是测试量子力学理论的一个有用的系统,因为氦-4向超流体的转变发生在相对容易取得的温度底下。然而,仍然需要能够将超流体的运动视觉化。

如今,一个研究小组已使用硅纳米粒子来帮助视觉化超流体氦的特征,这类似于在河面上弹跳石头,帮助视觉化水的流动。超流体氦的一个特殊性质是,任何旋转运动只能以量化旋涡的形式发生。这些是微小且不连续的漩涡,每个漩涡都携带固定数量的角动量。科学家们用纳米粒子“石头 ”来研究涡流重新连接的过程,而在这个过程中,涡流线会凝聚在一起并各自互换它们的部分。由于光在纳米粒子上散射,它们所吸引的涡流线是清晰可见的。

大阪市立大学的研究员 Makoto Tsubota 领导的团队模拟了所观察到的硅纳米粒子的行为。Tsubota教授惊叹道:“我们进行了与实验情况相适应的量化旋涡的数值模拟。模拟的旋涡与观察到的是相同的!这也充分说明了我们实际观察到的就是量子化旋涡的运动。”

此外,Tsubota 教授指出:“量化的涡旋是拓扑缺陷的一个典型例子。拓扑缺陷出现在各种系统中,如超流体氦气、冷原子、超导体、液晶、宇宙学等。目前的发现将为研究这些不同系统中的拓扑缺陷铺设一条新的道路。”

探寻火成岩磁体Ce2Zr2O7中的奇异量子自旋流动性

作者:Anish Bhardwaj, Shu Zhang, Han Yan, Roderich Moessner, Andriy H. Nevidomskyy, Hitesh J. Changlani 发布于 npj Quantum Materials

美国和德国物理学家的计算侦查工作已经证实了锆热释石铈是一种三维量子自旋液体。

尽管名字叫做量子自旋液体,但它是一种固体材料,其中的量子纠缠和原子的几何排列挫败了电子相互间磁性排序的自然趋势。量子自旋液体中的几何挫折是如此严重,以至于无论它们变得多么低温,电子会在量子磁态之间波动。

理论物理学家经常使用用于演示量子自旋液体的量子力学模型,但要找到令人信服的证据证明它们存在于实际的物理材料中,则是一个长达几十年的挑战。虽然一些二维或三维材料已被提议有可能作为量子自旋液体,但莱斯大学物理学家安德烈·内维多姆斯基说:物理学家们并没有达成共识,认为它们中的任何一种都符合了条件。内维多姆斯基希望,基于他和来自莱斯大学、佛罗里达州立大学以及德国德累斯顿马克斯-普朗克复杂系统物理研究所的同事们的计算侦查,这种情况将会有所改变。

2019 年在热铬酸铈单晶样品中观察到的自旋激发连续体的三维演示,而这也是量子自旋液体的一个可能标志

他说:"根据我们今天掌握的所有证据,这项工作证实了 2019 年被确定为候选 3D 量子自旋液体的焦化铈单晶的确是具有分化自旋激发的量子自旋液体。

导致磁性的电子的固有属性就是自旋。每个电子的行为就像一个有南北极的小条形磁铁,在测量时,单个电子的自旋总是指向上方或下方。在大多的日常材料中,自旋是随机指向上或下的。但电子在本质上是反社会的,这也可能导致它们在某些情况下将自己的自旋安排在与邻居相关联。例如,在磁体中,自旋被集体安排在同一方向,而在反铁磁体中,它们被安排在一个来回向上又向下的模式。

在非常低的温度下,量子效应变得更加突出,这导致电子在大多数材料中集体排列它们的自旋,甚至那些在室温下自旋会指向随机方向的材料。量子自旋液体是一个反例,无论材料变得多低温,自旋都不会指向一个明确的方向,而有时甚至是向上或向下。

身为物理学和天文学副教授、莱斯量子计划和莱斯量子材料中心(RCQM)成员内维多姆斯基说:"量子自旋液体,就其性质而言,是物质分化形态的一个例子。个别激发并不是从上到下的自旋翻转或者反之亦然的。它们就是所谓的携带一个自旋自由度的一半的奇异且脱域的物体。这就和一半的自旋一样。”

Nevidomskyy 是莱斯大学实验物理学家戴鹏程领导的 2019 年研究的一份子,而该研究也发现了第一个证据表明了锆热释石铈是一种量子自旋液体。该团队的样品是同类产品中的第一个。热释石是因为它们的铈、锆和氧的比例是2:2:7,而单晶是因为里面的原子排列是在一个连续且不间断的晶格中。戴和同事的非弹性中子散射实验揭示了量子自旋液体的特征,也就是在低至35毫开尔文的温度下测量到的连续自旋激发。

Nevidomskyy说:“你可以说他们找到了犯罪嫌疑人并指控他犯罪。而我们在这项新研究中的工作就是向陪审团证明嫌疑人是有罪的。”

Nevidomskyy及其同事使用最先进的蒙特卡洛方法、精确的对角线化以及分析工具,对现有的量子力学模型铈锆焦石进行自旋动力学计算,并建立了他们的案例。这项研究是由Nevidomskyy和马克斯-普朗克的Roderich Moessner构思的,并由蒙特卡洛模拟由佛罗里达州的Anish Bhardwaj和Hitesh Changlani执行,而莱斯大学的Han Yan和马克斯-普朗克的Shu Zhang也有贡献。

热释石磁体中的量子自旋液体及其实验影响

Nevidomskyy说:“这个理论的框架是我们所知道的了,但确切的参数,其中至少有四个我们是不知道的。在不同的化合物中,这些参数可能有各自不同的值。我们的目标是为热释光铈找到这些值,并确定它们是否描述了所谓的量子自旋液体。”

他说:“这就像一个弹道学专家用牛顿第二定律来计算子弹的弹道。牛顿定律是已知的了,但它只有在你提供初始条件,如子弹的质量和初始速度时才具备了预测的能力。这些初始条件与这些参数是类似的。我们必须进行逆向工程,或找出这种铈材料内部的那些初始条件是什么,以及是否符合这种量子自旋液体的预测?”

为了建立一项令人信服的案例,研究人员将该模型与之前发表的锆热矿实验研究的热力学、中子散射和磁化结果进行了测试。

Nevidomskyy说:“如果你只有一个证据,你可能会无意中找到几个仍然符合描述的模型。然而我们实际上匹配的不只是一个,而是三个不同的证据。因此,一个候选必须与所有三个实验相匹配。”

一些研究将量子自旋液体中出现的相同类型量子磁波动作为非常规超导性的一个可能原因。但Nevidomskyy说:计算结果主要是物理学家的基本兴趣。

他说:“作为物理学家,这满足了我们与生俱来的愿望,即找出大自然是如何工作的。但据我所知,没有任何应用将可能受益。它并没有立即与量子计算联系在一起,尽管存在着使用分化激发作为逻辑的量子比特平台的想法。”

他说:“对物理学家来说,一个特别有趣的点就是量子自旋液体和磁单极的实验实现之间的紧密联系,但磁单极是理论粒子,其潜在仍然受到了宇宙学家和高能物理学家的争论。”

Nevidomskyy说:“当人们谈到分化时,指的是系统的行为就像一个物理粒子,如电子,分裂成两半,四处游荡,然后又在某个地方重新结合。而在热释石磁体中,比如我们研究的那个,这些游荡的物体更像是量子磁单极。”

磁单极可以被想象成孤立的磁极,就像单个电子的向上或向下的磁极。

他说:"当然,在经典物理学中,人们永远不可能只将条形磁铁的一端隔离出来。南北单极总是成对出现。但在量子物理学中,磁单极可以假设存在,而量子理论家本身在近100年前就构建了这些磁单极,以探索有关量子力学的基本问题。

维多姆斯基说:"据我们所知,磁单极并不是以原始形式存在于我们的宇宙中的。但事实证明,在这些热释石量子自旋液体中确实存在一个花哨的单极子。一次自旋翻转就会产生两个被称为自旋子的分化准粒子,它们的行为就像单极子一样,在晶格中游荡。”

该研究也有证据表明,像单极子一样的自旋子是以一种不寻常的方式在热铬酸铈中产生的。由于热释石中磁性原子的四面体排列,该研究表明它们在低温下形成了八极磁矩,也就是具有八个极的自旋状磁性准粒子。研究显示,该材料中的自旋子就是由这些八极源和更传统的二极自旋矩产生的。

Nevidomskyy说:“我们的建模确定了这两种成分相互作用的确切比例。它也为热铬酸铈材料和一般八极量子自旋液体理论上的理解开启了全新的篇章。”

被刺激的光和物质相互作用中的加速诱导效应

作者:Barbara Šoda, Vivishek Sudhir, Achim Kempf 发布于 Physical Review Letters

基础物理学前沿工作的一个主要障碍就是无法在实验室环境中测试最先进的理论。然而最近的一项发现为科学家们打开了新的大门,使他们能够看到以往只在理论上理解或在科幻小说中表现出来的想法。

其中一个理论是关于安鲁效应。当航天器中的宇航员经历了超强的加速,看到恒星的光线流过,那么安鲁效应就是在流光之上额外的一个温暖光辉。这是因为黑洞会强烈地将所有往它们方向前行的东西进行加速。

滑铁卢大学物理学博士生Barbara Šoda说:“黑洞被认为它并不完全是黑色的。相反的,正如斯蒂芬-霍金发现的那样,黑洞应该发出辐射。这是因为,虽然没有其他东西可以逃离黑洞,但辐射的量子波动是可以的。”

在惯性运动中发生的光和物质相互作用的常规一阶过程(灰色、绿色、蓝色)与只在非惯性运动中发生的过程(黑色、橙色、红色)之间的比较

与霍金效应需要一个黑洞一样,安鲁效应也需要巨大的加速度才能产生明显的光芒。因此,人们认为安鲁效应是如此之弱,以至于它不可能以现有技术的实验中能够达到的加速度来进行测量。

研究小组对高强度激光器的创新使用,使他们找到了一种创新的方法来实验Unruh效应。他们发现将高强度的激光照射在加速的粒子上可以将安鲁效应放大到一定程度,以至于它实际上变得可测量。在一个意想不到的转折中,该团队还发现,通过巧妙地平衡加速和减速,人们应该甚至能够使加速的物质变得透明。

对安鲁效应以及加速诱导透明的新现象进行实验的能力为物理学家提供了巨大的推动力,他们长期以来一直在寻找将爱因斯坦的广义相对论与量子力学统一起来的方法。

共同作者、滑铁卢应用数学教授和量子计算研究所成员阿希姆-肯普夫说:"广义相对论和量子力学理论目前还有些不一致,但必须有一个统一的理论来描述事物在宇宙中的运行方式。我们一直在寻找一种方法将这两大理论结合起来,而这项工作创造了针对实验测试新理论的机会,并有助于让我们更接近成功。”

该团队现在正着手进行进一步的实验。他们也为这项研究能对一些关于物理学和宇宙性质的基本问题的影响感到非常兴奋。

共同作者、麻省理工学院机械工程助理教授、激光干涉仪引力波观测站(LIGO)成员维维谢克-苏迪尔说:“40多年来,由于无法探索量子力学和引力的界面,导致实验一直受到阻碍。我们这里有一个可行的选择,可以在实验室环境中探索这个界面。如果我们能弄清楚其中的一些大问题,它可能会改变一切。”

所有非磁性随机材料的全部拓扑带

作者:Maia G. Vergniory, Benjamin J. Wieder, Luis Elcoro, Stuart S. P. Parkin, Claudia Felser, B. Andrei Bernevig, Nicolas Regnault 发布于 Science

怎样才能使我们的电子产品更智能、更快速、更有弹性?其中一个想法就是用拓扑结构的材料来制造它们。

拓扑学源于数学的一个分支,研究可以被操纵或变形而不失去某些核心特性的形状。一个甜甜圈是一个常见的例子。如果它是由橡胶制成的,一个甜甜圈可以被扭曲和挤压成一个全新的形状,或者如一个咖啡杯,同时保留一个关键特征,即它的中心孔,它采取了杯子的手柄形式。在这种情况下,这个孔就是一个拓扑特征,对某些变形具有很强的抵抗力。

近年来,科学家们已经将拓扑学的概念应用于发现具有类似强大电子特性的材料。2007年,研究人员预测了第一个电子拓扑绝缘体,也就是其中电子的行为方式是 "拓扑保护"的,或在面对某些破坏时持续存在的材料。自那时起,科学家们一直在寻找更多的拓扑材料,目的是为了建造更好、更坚固的电子设备。直到最近,只有少数这样的材料被发现,因此被认为是一种罕见的材料。

现在麻省理工学院和其他地方的研究人员已经发现,事实上,拓扑材料无处不在,如果你知道寻找它们的方法。在一篇论文中,由普林斯顿大学和巴黎高等师范学院的Nicolas Regnault领导的团队报告说,他们利用多台超级计算机的力量,绘制了96000多种天然和合成晶体材料的电子结构图。他们应用复杂的过滤器来确定每个结构中是否存在拓扑特征以及哪种拓扑特征。总的来说,他们发现所有已知的晶体结构中有90%至少包含一种拓扑特性,而所有自然生成的材料中有50%以上表现出某种拓扑行为。

拓扑材料统计学和重复的拓扑表面形态

该研究的共同负责人、麻省理工学院物理系博士后本杰明-维德说:"我们发现有一种普遍性,那就是拓扑学无处不在。

研究小组已将新确定的材料编入一个全新、可自由访问的拓扑材料数据库,类似于拓扑学的周期表。有了这个新的数据库,科学家们可以快速搜索感兴趣的材料,了解它们可能拥有的任何拓扑特性,并利用它们来建造超低功率晶体管、新的磁性记忆存储以及其他具有强大电子特性的设备。这篇论文的共同领头人包括了多诺斯蒂亚国际物理中心的Maia Vergniory、巴斯克大学的Luis Elcoro、马克斯普朗克研究所的Stuart Parkin和Claudia Felser以及普林斯顿大学的Andrei Bernevig。

这项新研究的动机是希望加快对拓扑材料的传统搜索。

Wieder说:“发现原始材料的方式是通过化学直觉。这种方法在早期取得了很多成功。但是当我们从理论上预测出更多种类的拓扑相时,似乎直觉并没有让我们走得很远了。”

Wieder和他的同事们转而利用一种高效和系统性的方法,那就是在所有已知的晶体结构(也被称为无机固态材料)中找出拓扑结构的迹象,或强大的电子行为。

对于他们的研究,研究人员着眼于无机晶体结构数据库,或称 ICSD,这是一个储存库,而研究人员会将他们研究过的晶体材料的原子和化学结构输入其中。该数据库包括在自然界中发现的材料,以及那些在实验室中被合成和操纵的材料。ICSD是目前世界上最大的材料数据库,包含超过193,000种晶体,其结构已被绘制和表征出来。

研究小组下载了整个ICSD,在进行了一些数据清理以剔除文件损坏或数据不完整的结构后,研究人员只剩下了96,000多个可处理的结构。对于这些结构中的每一个,他们根据化学成分之间的关系的基本知识进行了一系列计算,以产生材料的电子结构图,也被称为电子带结构。

该小组能够使用多台超级计算机有效地进行每个结构的复杂计算,然后他们利用这些计算机进行第二套操作,而这次是为了筛选各种已知的拓扑相,或每个晶体材料中持续的电子行为。

威德解释说:“我们正在寻找电子结构中的特征,而在这种材料中应该出现某些稳健的现象。他以前的工作涉及改进和扩大这种筛选技术,也就是所谓的拓扑量子化学。”

从他们的高通量分析中,研究小组很快就发现了数量惊人的自然拓扑材料,无需任何实验操作,以及可被操作的材料,例如用光或化学掺杂,以表现出某种稳健的电子行为。他们还发现了少数几种材料,当暴露在某些条件下时,这些材料含有一种以上的拓扑状态。

维德指出:“三维固态材料中的物质拓扑相已经被提议作为观察和操纵稀有效应的媒介,包括电流和电子自旋的相互转换,高能物理学中稀有理论的桌面模拟,甚至在适当的条件下,存储和操纵量子信息。”

任意温度下双量子纠缠的幂率聚类现象

作者:Tomotaka Kuwahara, Keiji Saito 发布于 Physical Review X

一项理论研究表明,如果满足正确的条件,长程纠缠确实可以在高于绝对零度的温度下生存。

量子计算已被指定为计算领域的下一个革命性步骤。然而目前的系统只有在接近绝对零度的温度下才是实际稳定的。日本合作研究的一个新定理提供了对哪些类型的长程量子纠缠在非零度温度下生存的理解,并揭示了宏观量子现象的一个基本方面,为进一步理解量子系统和设计新的室温稳定量子设备提供了方向指引。

两个子系统A和B之间的量子纠缠。假设子系统A、B和C之间的三方纠缠,可以检测到非零温度下的长程纠缠。它也可以在拓扑有序的量子多体系统中观察到

当事物变得很小,小到人类头发丝的千分之一宽度时,经典物理学的规律就被量子物理学的规律所取代。量子世界怪异但奇妙,科学家们对它是还有很多不理解的地方。大规模或 "宏观 "的量子效应在超常现象中起着关键作用,如超导性,它是未来能源运输具有潜力的逆转者,也是为了量子计算机更长远的持续发展。

在长程量子纠缠的帮助下,有可能可以在特定系统中观察和测量这种规模的 "量子性"。量子纠缠曾经被阿尔伯特-爱因斯坦描述为“远距离的幽灵行动”,也就是当一组粒子不能相互独立地描述时就会发生。这意味着它们的属性是联系在一起的:如果你能完全描述一个粒子,你也会知道它所纠缠的粒子的一切信息。

长距离纠缠是量子信息理论的核心,对它的进一步理解可能会在量子计算技术上获得突破。然而,长程量子纠缠在特定条件下是稳定的,比如在三方或多方之间以及在接近绝对零度(-273℃)的温度下。在非零温度下,双方纠缠系统会发生什么呢?为了回答这个问题,来自东京理化学研究所高级智能项目中心和横滨庆应大学的研究人员最近提出了一项理论研究,描述了在温度高于绝对零度的两方系统中的长程纠缠情况。

LOA和LOB的近似。为了得到相互交换的近似值LOA和LOB,LOA和LOB分别被近似到扩展区域A[r1]和B[r2](r1+r2<r)< p="">

理化学研究所Hakubi团队负责人Tomotaka Kuwahara(他是该研究的作者之一,在理化学研究所高级智能项目中心时进行了研究)解释说:“我们研究的目的是确定在任意非零温度下对长距离纠缠结构的限制。我们提供了简单的禁区定理,显示了什么样的长距离纠缠可以在非零度的温度下生存。在高于绝对零度的温度下,材料中的粒子由于热能而振动和移动,这对量子纠缠起了作用。在任意的非零温度下,只有两个子系统之间没有长程纠缠可以持续存在。”

研究人员的发现与之前的观察一致,也就是只有在涉及三个以上的子系统时,长程纠缠才能在非零温度下存活。而这结果表明,这是室温下宏观量子现象的一个基本方面,而量子设备需要被设计成具有多部分纠缠状态的。

庆应大学的斋藤庆章教授,也是该研究的共同作者指出:“这一结果为更深入地了解远距离的量子纠缠打开了大门,因此这只是一个开始。我们的目标是在未来加深我们对量子纠缠和温度之间关系的理解。这些知识将激发和推动未来在室温下工作的量子设备的发展,使其成为实用的设备。”

参考链接:

1.近似Ising铁磁链中的磁布洛赫振荡和域壁动力学:https://www.nature.com/articles/s41467-022-29854-9

2.光淬且高温超导体中电荷密度波相干性的增强:https://www.science.org/doi/10.1126/science.abd7213

3.观察长程量子磁体中的新兴流体力学:https://arxiv.org/abs/2107.00033

4.量化干涉仪路径中的中子存在:

https://arxiv.org/abs/2202.00272

5.电路量子声学的强列色散制度中的奇偶性测量:http://arxiv.org/abs/2110.00263

6.通过激光烧蚀视觉化量化涡流重联:

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn1143

7.探寻火成岩磁体Ce2Zr2O7中的奇异量子自旋流动性:https://www.nature.com/articles/s41535-022-00458-2

8.被刺激的光和物质相互作用中的加速诱导效应:https://arxiv.org/abs/2103.15838

9.所有非磁性随机材料的全部拓扑带:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg9094

10.任意温度下双量子纠缠的幂率聚类现象:https://arxiv.org/abs/2108.12209


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